王威 廖蘇平 危蕾 吳波 劉俊
·實(shí)驗(yàn)研究論著·
納米纖維支架對(duì)人肌腱成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)及相關(guān)基因表達(dá)的影響
王威 廖蘇平 危蕾 吳波 劉俊
目的 研究人肌腱成纖維細(xì)胞(tendon derived fibroblasts, TDFs)在聚乳酸(poly-L-lactic acid, PLLA)納米纖維支架及聚乳酸/Ⅰ型膠原蛋白(PLLA/Col-Ⅰ)納米纖維支架上的生長(zhǎng)情況及相關(guān)基因的表達(dá)情況。方法 將TDFs分別種植于空白蓋玻片(空白組)、載有PLLA納米纖維支架的蓋玻片(PLLA組)和載有PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架的蓋玻片上(PLLA/Col-Ⅰ組),觀察細(xì)胞生長(zhǎng)情況,并檢測(cè)Ⅰ、Ⅲ、Ⅹ型膠原蛋白(Col-Ⅰ、Col-Ⅲ、Col-Ⅹ)以及整合素相關(guān)基因黏著斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)的基因表達(dá)情況。結(jié)果 PLLA組細(xì)胞生長(zhǎng)速度低于空白組和PLLA/Col-Ⅰ組,而PLLA/Col-Ⅰ組和空白組相比,細(xì)胞生長(zhǎng)速度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。和PLLA組及空白組相比,PLLA/Col-Ⅰ組中Col-Ⅰ、Col-Ⅲ、Col-Ⅹ以及FAK基因表達(dá)水平顯著升高,PLLA組和空白組無(wú)明顯區(qū)別。結(jié)論 PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架對(duì)TDFs的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,且有利于Col-Ⅰ、Col-Ⅲ、Col-Ⅹ及FAK基因的表達(dá),能為肌腱修復(fù)提供一種理想的組織工程支架材料。
肌腱;成纖維細(xì)胞;納米纖維;聚乳酸;Ⅰ型膠原蛋白
肌腱缺損是臨床常見(jiàn)的疾患之一,未能及時(shí)予以修復(fù)常會(huì)導(dǎo)致機(jī)體功能障礙,甚至殘廢。因而對(duì)缺損肌腱的修復(fù)和重建是臨床重要的研究課題之一。目前臨床上常行自體肌腱移植修復(fù)、同種異體肌腱移植或異種肌腱移植治療等,然而由于供體肌腱缺乏、免疫排斥等原因往往限制了其治療效果[1,2]。隨著細(xì)胞培養(yǎng)和移植技術(shù)的發(fā)展,以及生物材料學(xué)的進(jìn)步,組織工程化人工肌腱成為研究熱點(diǎn)之一,并有望最終解決肌腱缺損問(wèn)題[3]。
理想的肌腱修復(fù)支架需要滿足以下條件:①與肌腱細(xì)胞相容;②有利于細(xì)胞的遷徙和增殖;③在愈合過(guò)程中,能夠促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的形成。基于電子紡絲制備的納米纖維支架具有許多優(yōu)點(diǎn):與人類的細(xì)胞外基質(zhì)形態(tài)相似,具有非常細(xì)微的連續(xù)性的纖維,高表面積與容量比,多孔性等。這些性能可促使細(xì)胞在支架上黏附、增殖并促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物、廢物的運(yùn)輸?shù)萚4]。與其他支架制備技術(shù)相比,電紡技術(shù)高效快速、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易,便于控制化學(xué)組分和物理性能[5],且能通過(guò)許多聚合物制造出來(lái),如多聚甘醇酸、聚乳酸(poly-L-lactic acid, PLLA)、膠原蛋白、聚氨基葡萄糖等[6],具有生物相容性及可降解性。
有研究顯示電子紡絲制備的含有PLLA/Ⅰ型膠原(PLLA/Col-Ⅰ)的納米纖維是適合骨缺損的移植修復(fù)物,能促進(jìn)干細(xì)胞的骨形成分化和生長(zhǎng)[7]。而關(guān)于其對(duì)人肌腱成纖維細(xì)胞(tendon derived fibroblasts, TDFs)的生長(zhǎng)和相關(guān)基因表達(dá)的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)試驗(yàn)重點(diǎn)觀察納米纖維支架對(duì)TDFs的生長(zhǎng)和相關(guān)基因表達(dá)的影響,并對(duì)PLLA納米纖維支架和PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架進(jìn)行比較。
一、PLLA納米纖維支架的制備
以六氟異丙醇為溶劑,在室溫下與PLLA溶液(Mw=1.0×105,Tg=57.9 ℃,深圳光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司)混合并持續(xù)攪拌3 d,最終得到重容比為4.5%的溶液。將制備好的溶液裝入毛細(xì)微管后置入高靜電場(chǎng)制備納米纖維支架。電紡條件:流速為14 μL/min,外加電壓18 kV,接收裝置距離為15 cm。PLLA納米纖維收集在19 mm蓋玻片上。將制備好的PLLA納米纖維支架放入通風(fēng)櫥中干燥過(guò)夜備用。
二、PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架的制備
將Col-Ⅰ與PLLA溶液按4∶1的比例溫和攪拌制成PLLA/Col-Ⅰ混合溶液,再按上述步驟電紡制備出PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架備用。
三、TDFs的分離及培養(yǎng)
肌腱來(lái)源于手術(shù)中廢棄的肌腱組織,以生理鹽水反復(fù)沖洗3遍,再以0.25%氯霉素溶液浸泡30 min,之后去除肌腱組織的腱鞘膜,剪成2 mm3左右的小塊,在37 ℃下使用膠原酶消化30 min。去掉膠原酶,使用PBS漂洗,隨后種植于含有10%小牛血清及1%青鏈霉素的DMEM培養(yǎng)皿上,放置于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。1周后,當(dāng)細(xì)胞從肌腱上遷徙并附著于培養(yǎng)皿上以后,去除肌腱塊,貼壁的細(xì)胞進(jìn)行下一步的培養(yǎng)。
TDFs按3×104個(gè)/cm2的密度種植于三組蓋玻片上:空白組,為空白蓋玻片;PLLA組,蓋玻片上覆蓋含PLLA的納米纖維;PLLA/Col-Ⅰ組,蓋玻片上覆蓋含PLLA/Col-Ⅰ的納米纖維。將各組培養(yǎng)在含低糖、低谷氨酸以及10%小牛血清的DMEM培養(yǎng)基中。隔日更換1次培養(yǎng)液。
四、細(xì)胞免疫熒光染色
細(xì)胞培養(yǎng)5 d后,取出蓋玻片用PBS進(jìn)行漂洗,然后使用濃度為5 μg/mL 的二乙酸熒光素(fluorescein diacetate, FDA)進(jìn)行染色。使用萊卡DM5000熒光顯微鏡進(jìn)行觀察,并用高倍顯微攝像。利用Quips分析軟件進(jìn)行分析。
五、檢測(cè)相關(guān)基因的表達(dá)
主要檢測(cè)Col-Ⅰ、Col-Ⅲ、Col-Ⅹ、β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)、整合素相關(guān)基因黏著斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)等基因的表達(dá)情況。
1.逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程 分別在培養(yǎng)的第5、10、20天采用異硫氰酸胍-酚-氯仿抽提法提取總RNA。使用逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(Boehringer mannheim產(chǎn)品)合成cDNA,20 μL反應(yīng)體系主要包括:反應(yīng)緩沖液、10 mmol/L dNTP、1 μg 總RNA、50 U RNase inhibitor、50 U AMV逆轉(zhuǎn)錄酶、1.6 μg oligo-dT,于42 ℃反應(yīng)30 min,99 ℃下5 min,終止反應(yīng)。
2.PCR擴(kuò)增 建立100 μL的反應(yīng)體系,主要成分如下:反應(yīng)緩沖液、10 mmol/L dNTP、引物(見(jiàn)表1,同時(shí)選用β-actin作內(nèi)參)、2~3 μL cDNA產(chǎn)物、5 U Taq DNA聚合酶。95 ℃下10 min預(yù)變性,反應(yīng)40個(gè)循環(huán),每循環(huán)94 ℃、60 ℃、72 ℃各1 min,最后1個(gè)循環(huán)72 ℃保持10 min。
目標(biāo)基因的分析使用Delta-delta Ct以及Cyber Green。
表1 RT-PCR擴(kuò)增中使用的引物序列
六、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
一、細(xì)胞免疫熒光染色
通過(guò)熒光染色觀察,空白組與PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組細(xì)胞密度差別不大,而PLLA納米纖維組細(xì)胞密度顯著降低(圖1a~c)。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析各組中FDA陽(yáng)性細(xì)胞占比,空白組與PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組相比,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;而PLLA納米纖維組細(xì)胞密度與空白組及PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組相比顯著降低,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)圖2。
二、對(duì)膠原蛋白基因表達(dá)的影響
在細(xì)胞培養(yǎng)的第5、10、20天,檢測(cè)Col-Ⅰ基因表達(dá)情況。如圖3所示各個(gè)時(shí)間點(diǎn),PLLA納米纖維組中Col-Ⅰ基因的表達(dá)與空白組沒(méi)有明顯差異。而PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組中Col-Ⅰ基因的表達(dá)與空白組和PLLA納米纖維組兩組相比明顯增高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。各組中Col-Ⅰ基因的表達(dá)均在第10天達(dá)到高峰。
在肌腱修復(fù)中,Col-Ⅲ和Col-Ⅹ同樣重要。結(jié)果顯示空白組、PLLA納米纖維組兩組中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上Col-Ⅲ基因的表達(dá)均無(wú)明顯差異。PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組與空白組、PLLA納米纖維組相比,在第5天時(shí)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但是在第10天和第20天時(shí),PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組中Col-Ⅲ基因的表達(dá)明顯高于空白組和PLLA納米纖維組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05),且后期Col-Ⅲ在PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組中的表達(dá)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),見(jiàn)圖4。
Col-Ⅹ基因的表達(dá)與Col-Ⅰ相似,空白組與PLLA納米纖維組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,第5、10天時(shí)PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組中Col-Ⅹ基因的表達(dá)均高于其他兩組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05),而且各組中Col-Ⅹ基因的表達(dá)高峰均在第10天,見(jiàn)圖5。
三、對(duì)FAK基因表達(dá)的影響
本研究顯示各個(gè)時(shí)間點(diǎn)FAK的基因表達(dá)在PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組中的表達(dá)均比空白組和PLLA納米纖維組中顯著升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05),見(jiàn)圖6。
圖1 TDFs培養(yǎng)5 d時(shí)免疫熒光染色結(jié)果(×100) a:空白組;b:PLLA納米纖維組;c:PLLA/Col-Ⅰ納米纖維組
圖2 各組FDA陽(yáng)性細(xì)胞占比統(tǒng)計(jì)圖
圖3 各組中Col-Ⅰ基因的表達(dá)情況
圖4 各組中Col-Ⅲ基因的表達(dá)情況
圖5 各組中Col-Ⅹ基因的表達(dá)情況
圖6 各組中FAK基因的表達(dá)情況
PLLA是一種可生物降解的熱塑性脂肪族聚酯,主要原料乳酸又是可再生資源,無(wú)毒副作用,具有良好的生物相容性,可塑性好,有著廣泛的研究和應(yīng)用前景,被認(rèn)為是最有前途的生物醫(yī)用材料和新型包裝材料之一[8]。Col-Ⅰ是一組由多種糖蛋白組成的大家族,不僅具有合成高分子不可比擬的生物相容性、降解性和低抗原性,而且具有一系列重要的生物學(xué)功能,因其可轉(zhuǎn)化為生物醫(yī)學(xué)材料,漸漸引起人們的關(guān)注[9,10]。
組織工程支架是組織工程研究的重要組成部分,支架所形成的三維結(jié)構(gòu)不但為細(xì)胞獲取營(yíng)養(yǎng)、生長(zhǎng)和代謝提供了一個(gè)有利的空間,也為植入的細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)最終形成相應(yīng)的組織或器官提供了一個(gè)良好的環(huán)境。靜電紡絲技術(shù)是制備組織工程支架材料最有效的方法之一[11]。
以PLLA為原料制備的納米纖維支架已廣泛應(yīng)用于組織工程中骨和軟骨組織的構(gòu)建和再生,通過(guò)在材料上培養(yǎng)組織細(xì)胞,并逐漸生長(zhǎng)成組織和器官。目前對(duì)包括軟骨、皮膚、神經(jīng)和血管等培養(yǎng)的研究己經(jīng)取得可喜的進(jìn)展[12-14]。而關(guān)于TDFs在PLLA納米纖維支架上的生長(zhǎng)能力和基因表達(dá)情況,以及聯(lián)合應(yīng)用PLLA和Col-Ⅰ制備納米纖維支架的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。
本研究發(fā)現(xiàn),與玻璃表面相比,PLLA納米纖維支架培養(yǎng)的細(xì)胞數(shù)目顯著下降,提示PLLA納米纖維可能影響TDFs的增殖。具體原因可能是PLLA納米纖維支架結(jié)構(gòu)不利于TDFs細(xì)胞生長(zhǎng)。亦有研究利用PLLA納米纖維培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,觀察到與玻璃表面相比,Ki67單抗細(xì)胞陽(yáng)性率降低[15]。
還有研究發(fā)現(xiàn)PLLA納米纖維對(duì)細(xì)胞密度的這種抑制作用會(huì)在PLLA中加入Col-Ⅰ后抵消,這提示膠原蛋白能夠抵消PLLA對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用。
細(xì)胞外基質(zhì)的形成對(duì)于肌腱的修復(fù)及生長(zhǎng)具有重要作用。Col-Ⅰ是肌腱的重要成分,并且與肌腱的抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)[16]。因此,理想的支架應(yīng)該能夠利于Col-Ⅰ的生長(zhǎng)。培養(yǎng)在PLLA/Col-Ⅰ納米纖維上的TDFs數(shù)量及Col-Ⅰ的基因表達(dá)都得到了增長(zhǎng),而在PLLA納米纖維中卻沒(méi)有這樣的效果。除了Col-Ⅰ,Col-Ⅲ和Col-Ⅹ等細(xì)胞外基質(zhì)成分與肌腱修復(fù)也密切相關(guān)[17]。本研究顯示同PLLA納米纖維組及空白組相比,在PLLA/Col-Ⅰ納米纖維中,Col-Ⅲ和Col-Ⅹ的表達(dá)均明顯升高。
整合素為親異性細(xì)胞黏附分子,介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間的相互作用,以及胞內(nèi)信號(hào)和胞外信號(hào)的相互通訊。黏著斑是連接胞內(nèi)和胞外環(huán)境的重要信號(hào)分子復(fù)合物,其中最重要的是FAK。FAK是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶,它可通過(guò)整合細(xì)胞外信號(hào)和介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的一系列生化反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)下游分子的活性,參與生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞增殖、遷移、存活、凋亡等過(guò)程[18,19],其表達(dá)的增強(qiáng)與肌腱和韌帶的愈合有關(guān)[20,21]。本研究中FAK在PLLA/Col-Ⅰ納米纖維中的表達(dá)較空白組及PLLA納米纖維組中有所升高。
綜上所述,本研究提示PLLA/Col-Ⅰ納米纖維支架對(duì)人肌腱成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,且有利于Col-Ⅰ、Col-Ⅲ和Col-Ⅹ基因以及整合素信號(hào)通路FAK基因的表達(dá),能為組織工程技術(shù)進(jìn)行肌腱修復(fù)提供一種理想的支架材料。
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Influence of PLLA/Col-Ⅰ nanofibers on growth of human tendon-derived fibroblast and the gene expression.
WANGWei,LIAOSuping,WEILei,WUBo,LIUJun.
DepartmentofOrthopaedics,Pu’aiHospital,TongjiMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430033,China
Objective To explore the effects of PLLA nanofibers and PLLA/Col-Ⅰ nanofibers on human tendon-derived fibroblasts (TDFs), and the related gene expression.Methods TDFs were respectively cultured on the cover slip (blank group), PLLA nanofibers (PLLA group) and PLLA/Col-Ⅰ nanofibers (PLLA/Col-Ⅰ group).The growth of TDFs, and the gene expression of collagensⅠ, Ⅲ, Ⅹ and FAK during the course of culture were analyzed.Results The growth of TDFs in PLLA group was significantly inhibited as compared with blank group and PLLA/Col-Ⅰ group.The gene expression of collagen Ⅰ, collagen Ⅲ and collagen Ⅹ, and FAK was remarkably up-regulated in PLLA/Col-Ⅰ group as compared with PLLA group and blank group, but there was no significant difference between PLLA group and blank group.Conclusion This study indicates that PLLA/Col-Ⅰ nanofibers can promote the growth of TDFs, and can enhance the gene expression of collagen Ⅰ, collagen Ⅲ and collagen Ⅹ remarkably, as well as the gene expression of FAK.PLLA/Col-Ⅰ nanofibers may be an ideal scaffold of tissue engineering technology in the repair of tendon.
Tendon; Fibroblast; Nanofibers; Poly-L-lactic acid; Collagen Ⅰ
10.3969/j.issn.1674-8573.2015.01.001
武漢市衛(wèi)計(jì)委臨床醫(yī)學(xué)科研項(xiàng)目(No.WX11C20)
430033 武漢,華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬普愛(ài)醫(yī)院骨科
王威,E-mail:orthww@163.com
2014-08-06